一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法

技术特征：
1.一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、设定饱和磁化状态下磁声磁粒子的仿真初始条件，基于预设的仿真模型，获取超声换能器处的声压数据和重建区域处的梯度磁场数据；所述重建区域是以磁纳米粒子群为中心选取wmm
×
wmm的区域作为重建区域，对重建区域进行有限元划分，划分成m
×
m个网格；重建区域处的梯度磁场数据包括每个网格处的梯度磁场数据；步骤二、利用每个超声换能器处获取的声压数据构建声压矩阵，利用所述重建区域处的梯度磁场数据构建系统矩阵，该系统矩阵用于描述声压与磁性纳米粒子的浓度偏导数之间存在直接的对应关系；步骤三、利用步骤二中构建的声压矩阵和系统矩阵用lsqr方法获取磁性纳米粒子的浓度偏导数分布；步骤四、利用磁性纳米粒子浓度偏导数分布获取磁性纳米粒子浓度分布，从而获得饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度重建图像。2.根据权利要求1所述的一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法，其特征在于，步骤一中设定饱和磁化状态下磁声磁粒子的仿真初始条件，基于预设的仿真模型，获取超声换能器处的声压数据和重建区域处的梯度磁场数据；以磁纳米粒子群为中心选取nmm
×
nmm的区域作为重建区域，对重建区域进行有限元划分，划分成m
×
m个网格；重建区域处的梯度磁场数据包括每个网格处的梯度磁场数据；包括：初始化磁纳米粒子参数、helmholtz线圈和maxwell线圈电流的仿真条件，选用型号为emg308作为磁性纳米粒子，磁纳米粒子群置于线圈中心位置处，分别向helmholtz线圈和maxwell线圈中通入电流，由helmholtz线圈提供静磁场b
sat
使磁性纳米粒子达到饱和状态，由maxwell线圈提供均匀梯度磁场b
g
；以磁纳米粒子群为中心，以固定的扫描半径画圆圈，在该圆圈上离散设置多个超声换能器，获取每个超声换能器接收的多个时间点的声压数据，并获取每个超声换能器处的原始声场p(r,t)。3.根据权利要求1所述的一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法，其特征在于，以磁纳米粒子群为中心，以固定的扫描半径画圆圈，在该圆圈上离散设置165个超声换能器，获取每个超声换能器接收的470个时间点的声压数据；以磁纳米粒子群为中心选取50mm
×
50mm的区域作为重建区域，对重建区域进行有限元划分，划分成250
×
250个网格。4.根据权利要求2所述的一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法，其特征在于，利用每个超声换能器处获取的声压数据构建声压矩阵，利用所述重建区域处的梯度磁场数据构建系统矩阵，该系统矩阵用于描述声压与磁性纳米粒子的浓度偏导数之间存在直接的对应关系，包括：磁性纳米粒子受到的磁力表示为式(1)中，f(r
′
,t)为t时刻磁性纳米粒子受到的磁力；r
′
为所求声源点的位置，t为时间；n(r
′
)为磁性纳米粒子的浓度；m表示磁性纳米粒子的磁矩；为t时刻声源点位
置的梯度磁场大小；e
z
表示z方向上的单位向量；声源与声压关系式如下：式(2)中，p(r,t)为t时刻任意点的声压，单位为帕；r为任意点位置；c
s
为生物组织内的声速，单位是m/s；
▽
·
f(r,t)为声源项；t为时间；r
′
为所求声源点的位置，r＝|r-r
′
|；ω为整个研究区域；由于磁力的单向性，声源项可表示为将式(3)带入式(2)，得到由于在计算瞬时时刻空间分布问题时，可按照常量处理，故可得由上式可得，声压与浓度偏导数之间存在直接的对应关系，将这种对应关系通过系统矩阵a描述，可以抽象得到矩阵关系式：ax＝b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中a为系统矩阵，x为浓度偏导数，b为声压矩阵，声压矩阵中的声压数据对应p(r,t)；根据式(5)和式(6)并结合梯度磁场数据，从而得到系统矩阵a。5.根据权利要求2所述的一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法，其特征在于，步骤三中利用步骤二中构建的声压矩阵和系统矩阵用lsqr方法获取磁性纳米粒子的浓度偏导数分布，包括：引入lsqr方法，对作为大型稀疏系数矩阵的系统矩阵进行求解，最终求得浓度偏导数分布；求解过程包括：令标准正交矩阵u
k
＝[u1,u2,
…
,u
k
](u
j
∈r
mi
)和双对角矩阵为
其中(α1,α2,
…
,α
k
∈r；β2,β3,
…
,β
k 1
∈r)。迭代过程如下：迭代过程如下：步骤301，条件初始化β1＝||b||；α1＝||a
t
u1||2；β1u1＝b；α1v1＝a
t
u1；w1＝v1；x0＝0；步骤302，对角化系数矩阵β
j 1
＝||av
j-α
j
u
j
||2；α
j 1
＝||a
t
u
j 1-β
j 1
v
j
||2；(j＝1,2,...,k)。步骤303，计算qr分解中间变量步骤303，计算qr分解中间变量步骤304，更新x和中间变量w的值步骤305，判断迭代条件如果满足||ax
k-b||≤ε则终止迭代，其中ε是允许的误差，设定ε＝0.01；对于j＝1,2,...,k重复步骤302～305。6.根据权利要求3所述的一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法，其特征在于，步骤四中利用磁性纳米粒子浓度偏导数分布获取磁性纳米粒子浓度分布，从而获取磁声磁粒子浓度重建图像，包括：已知浓度偏导数与浓度分布关系式满足下列关系：假设网格的边长为l，l＝0.2mm，则浓度偏导数x可表示为:
浓度分布n(r')可表示为引入计算简单、精度较高的梯形公式法求解，可得其中0≤c≤249,1≤d≤250，结合x(c,d)边界条件则可得到浓度分布。

技术总结
本发明公开了一种饱和磁化状态下磁声磁粒子浓度图像重建方法，该方法包括：基于仿真模型，获取超声换能器处的声压数据和重建区域处的梯度磁场数据；利用每个超声换能器处获取的声压数据构建声压矩阵，利用所述重建区域处的梯度磁场数据构建系统矩阵，该系统矩阵用于描述声压与磁性纳米粒子的浓度偏导数之间存在直接的对应关系；再将两者用LSQR方法获取磁性纳米粒子的浓度偏导数分布，即可获取磁性纳米粒子浓度分布。本发明用LSQR-梯形公式法，能够快速、稳定、高质量地重建出浓度分布，图像边界清晰，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。


技术研发人员：闫孝姮 许洪 陈伟华 曹媛 李军
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2022/6/16